专利名称：扩孔式减压提速钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于石油和地质钻井工程领域中的钻井工具，尤其涉及一种扩孔式减压提速钻头。
背景技术：
为了开采地下的油气资源，需要利用钻具钻穿地下地层；这些钻具从地面到地下一般依次包括井架、转盘、方钻杆、钻杆、钻铤和钻头；其中钻头对地层进行切削从而钻进井眼。钻头切削地层的同时在井底产生大量的岩屑，为了把这些岩屑清除到地面，在钻进的同时必须通过钻柱内部注入钻井液，这些钻井液从钻头喷出并经过钻柱与地层之间的环形空间返回到地面，从而把岩屑携带到地面。然而，钻井液对井底产生一个非常大的液柱压持力，例如，对于一个3000米深的井眼，使用密度为1. lg/cm3的钻井液钻井，这样的压力将达到33MPa。现有钻头的水孔出口方向是沿着井深方向向下，且与钻头轴线正方向夹角为 0° 60°，钻井液从水孔流出后直接冲击井底，在巨大的压持力作用下，钻头切削下来的岩屑被压持在井底，从而不利于岩屑的清除，极大地降低了岩屑清除效率。特别是在深井和超深井的钻井过程中，巨大的钻井液液柱压持力，将极大地影响岩屑的及时清除，造成钻头的重复破碎；对于地层比较复杂的井段，比如对含砾粗砂岩地层，钻头最外围的牙齿受力状态比较恶劣，极易出现磨损失效、断齿、碎齿或脱落等现象，导致钻头失去攻击性，钻速下降，降低了钻井效率，增加了钻井成本。为了解决钻头的重复破碎问题，人们通过提高钻井液泵排量、增加泵压，以及采用各种喷嘴组合和改变喷嘴结构的方法，依靠高压水射流增加对井底的冲击力，实现水射流和机械联合破岩。然而，这种方法加大了钻井液液柱对井底岩屑的压持力，特别是在深井和超深井钻井中，由于巨大的钻井液液柱压力，单纯的依靠高压射流手段提高钻速效果并不明显；对于钻头外围牙齿失效严重的问题，油田现场并没有有效地解决办法，仅仅是通过减小钻压、转速或采用更高级别的钻头等方法，来减小钻头损坏，但是这样就牺牲了机械钻速。有鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，提出一种扩孔式减压提速钻头，以克服现有技术的缺陷。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种扩孔式减压提速钻头，能够实现降低井底钻头作用面的钻井液柱压力，避免钻头外围牙齿损坏，保证钻头的使用寿命，从而提高钻速。本实用新型的目的是这样实现的，一种扩孔式减压提速钻头，该钻头包括钻头本体，该钻头本体从上至下由上接头、切削体和下接头构成，所述切削体的直径大于上接头和下接头的直径；在所述切削体的外周面上沿其周向均勻设有多个螺旋形排屑槽，排屑槽之间形成螺旋形刀翼；在所述钻头本体的上接头轴向中心设有一主流道，该主流道延伸至切削体的下部，主流道底端同轴设有一连通的副流道，所述副流道的孔径小于主流道的孔径
3并贯通下接头；在所述主流道的孔壁上分别向各排屑槽贯通设置一向上倾斜的水孔。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述各水孔的轴线与钻头本体轴线的夹角为 α，0° < α < 90°。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述各排屑槽的螺旋线与钻头本体轴线的空间夹角为β，0°彡β < 90°。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述各刀翼的外侧设有多个聚晶金刚石PDC 复合片。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述上接头设有供与钻柱连接的外螺纹；所述下接头设有供与另一钻头连接的内螺纹，所述另一钻头的直径小于所述该提速钻头切削体的直径。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述主流道内固定设有一分流阀，所述分流阀为一柱状体，其轴向设有一贯通的分流道，在所述分流阀的顶面且环绕该分流道竖直向下设有多个分流盲孔，所述分流盲孔的数量与所述水孔的数量相同；各分流盲孔底部分别向分流阀柱状外侧贯通设有一换向水孔；所述各换向水孔的出口与相对的主流道水孔进口导通。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述分流道的直径小于所述副流道的直径。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述换向水孔向上倾斜设置，换向水孔的倾斜角度与所述水孔的倾斜角度相同。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述分流阀的底部抵靠在主流道与副流道之间的阶梯部，分流阀的顶部由一孔用弹簧挡圈固定。在本实用新型的一较佳实施方式中，所述主流道为一圆孔，所述分流阀为一圆柱体，所述主流道的内壁与分流阀的外壁之间设有周向定位结构。由上所述，本实用新型的扩孔式减压提速钻头改变了现有单只钻头全断面钻进的情形，采用两只钻头同时钻进，其中，另一小尺寸钻头在下方首先破碎岩石，形成较小尺寸的井眼，上方的扩孔式减压提速钻头对已形成的井眼进行扩孔；同时将现有钻头的水孔出口方向由向下调整为倾斜向上，并与钻头轴线夹角为0° 90°，钻井液以背离井底方向倾斜向上从水孔喷出，由钻头旋转速度的带动下，在钻头作用面附近形成一低压漩涡区，从而使井底的钻井液液柱压持力减小，井底岩屑在上下压力差的作用下，被及时抽汲离开井底，随钻井液返回地面。一方面本实用新型的扩孔式减压提速钻头，采用扩孔方式提高钻速，减小了单只钻头全断面钻进对钻头的损坏；另一方面，在井底产生一局部低压漩涡区， 减小井底岩屑的压持作用，实现对井底岩屑的抽汲，加速岩屑的清除，减少岩屑的重复破碎，提高钻速。
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中图1 为本实用新型扩孔式减压提速钻头的立体结构示意图。图2 为本实用新型扩孔式减压提速钻头的主视结构示意图。图3 为本实用新型扩孔式减压提速钻头的钻头本体的结构示意图。
4[0021]图4 为本实用新型扩孔式减压提速钻头的钻头本体内设置分流阀的结构示意图。图5 为图4的仰视示意图。图6 为本实用新型中分流阀的立体结构示意图。图7 为本实用新型中分流阀的剖视结构示意图。图8 为本实用新型扩孔式减压提速钻头全断面钻进的示意图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式
。如图1、图2、图3所示，本实用新型提出一种扩孔式减压提速钻头100，该钻头100 包括钻头本体1，该钻头本体1从上至下由上接头11、切削体12和下接头13构成，所述切削体12的直径大于上接头11和下接头13的直径；在所述切削体12的外周面上沿其周向均勻设有多个螺旋形排屑槽121，排屑槽121之间形成螺旋形刀翼122，所述各刀翼122的外侧焊接有多个聚晶金刚石PDC复合片1221 ；如图3所示，在所述钻头本体的上接头11轴向中心设有一主流道2，该主流道2延伸至切削体12的下部，主流道2底端同轴设有一连通的副流道3，所述副流道3的孔径小于主流道2的孔径并贯通下接头13 ；在所述主流道2 的孔壁上分别向各排屑槽121贯通设置一向上倾斜的水孔21。在本实施方式中，所述水孔 21设置3-6个。在本实施方式中，所述上接头11设有供与钻柱(图中未示出)连接的外螺纹；所述下接头13设有供与另一钻头6 (如图8所示)连接的内螺纹，所述另一钻头6的直径小于所述该提速钻头切削体12的直径，该另一钻头6可为牙轮钻头或PDC钻头。使用本实用新型的扩孔式减压提速钻头100全断面钻进时，其上接头11通过外螺纹与钻柱连接，下接头13通过内螺纹与另一钻头6相连。钻井过程中，钻柱带动扩孔式减压提速钻头100和另一钻头6旋转，该另一小尺寸的钻头6首先破碎岩石，形成一小尺寸井眼7，扩孔式减压提速钻头100随后对小尺寸井眼7进行扩孔钻进，形成最终井眼8 (如图8 所示)。钻井液从钻柱内进入扩孔式减压提速钻头的主流道2，一部分钻井液进入副流道3， 清洗和冷却另一小尺寸钻头6，并携带岩屑；另一部分钻井液进入水孔21，从水孔21倾斜向上喷出；随着扩孔式减压提速钻头100的旋转，在排屑槽121的带动下，围绕井眼轴线做圆周运动，在钻头本体1外表面与井眼的环空之间出现漩涡，在漩涡底部产生一低压区，使钻井液液柱在井底的压持力减小，岩屑被抽汲离开井底，随钻井液返回地面。在本实施方式中，如图3所示，所述各向上倾斜的水孔21的轴线与钻头本体1轴线的夹角为α，0° < α <90°。如图2所示，所述各排屑槽121的螺旋线与钻头本体1 轴线的空间夹角为β，0°彡β <90°。进一步，在本实施方式中，如图4、图5、图6和图7所示，所述主流道2内固定设有一分流阀4，所述分流阀4为一柱状体的钢铸件，其轴向设有一贯通的分流道41，该分流道 41的直径小于所述副流道3的直径；在所述分流阀4的顶面且环绕该分流道41竖直向下设有多个分流盲孔42，所述分流盲孔42的数量与所述水孔21的数量相同；各分流盲孔42 底部分别向分流阀4柱状外侧贯通设有一换向水孔43 ；所述各换向水孔43的出口与相对的主流道水孔21进口导通连接。在本实施方式中，所述换向水孔43向上倾斜设置，换向水
5孔43的倾斜角度与所述水孔21的倾斜角度相同(如图7所示)。设置该分流阀4有利于钻井液汇集并从水孔21喷射。经过分流阀4的分流作用， 一部分钻井液进入分流道41和副流道3，用于清洗和冷却钻头6 ；另一部分钻井液进入分流盲孔42，并流经换向水孔43从水孔21倾斜向上射出。在本实施方式中，由于所述副流道3的孔径小于主流道2的孔径，因此，在主、副流道的分界处形成一阶梯部(如图3所示)，所述分流阀4的底部抵靠在该阶梯部，分流阀4 的顶部由一孔用弹簧挡圈5固定(如图4所示)，弹簧挡圈5卡设在主流道2内相应的环槽 22中。在本实施方式中，所述主流道2为一圆孔，所述分流阀4为一圆柱体，所述主流道的内壁与分流阀的外壁之间设有周向定位结构，例如在分流阀4的圆柱体侧壁设置凸出的滑块，在主流道2的圆孔内壁设置相应的滑槽(图中未示出)。由上所述，本实用新型的扩孔式减压提速钻头改变了现有单只钻头全断面钻进的情形，采用两只钻头同时钻进，其中，另一小尺寸钻头在下方首先破碎岩石，形成较小尺寸的井眼，上方的扩孔式减压提速钻头对已形成的井眼进行扩孔；同时将现有钻头的水孔出口方向由向下调整为倾斜向上，并与钻头轴线夹角为0° 90°，钻井液以背离井底方向倾斜向上从水孔喷出，由钻头旋转速度的带动下，在钻头作用面附近形成一低压漩涡区，从而使井底的钻井液液柱压持力减小，井底岩屑在上下压力差的作用下，被及时抽汲离开井底，随钻井液返回地面。一方面本实用新型的扩孔式减压提速钻头，采用扩孔方式提高钻速，减小了单只钻头全断面钻进对钻头的损坏；另一方面，在井底产生一局部低压漩涡区， 减小井底岩屑的压持作用，实现对井底岩屑的抽汲，加速岩屑的清除，减少岩屑的重复破碎，提高钻速。以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式
，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
权利要求1.一种扩孔式减压提速钻头，其特征在于该钻头包括钻头本体，该钻头本体从上至下由上接头、切削体和下接头构成，所述切削体的直径大于上接头和下接头的直径；在所述切削体的外周面上沿其周向均勻设有多个螺旋形排屑槽，排屑槽之间形成螺旋形刀翼；在所述钻头本体的上接头轴向中心设有一主流道，该主流道延伸至切削体的下部，主流道底端同轴设有一连通的副流道，所述副流道的孔径小于主流道的孔径并贯通下接头；在所述主流道的孔壁上分别向各排屑槽贯通设置一向上倾斜的水孔。
2.如权利要求1所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述各水孔的轴线与钻头本体轴线的夹角为α，0° < α <90°。
3.如权利要求1所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述各排屑槽的螺旋线与钻头本体轴线的空间夹角为β，0°彡β <90°。
4.如权利要求1所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述各刀翼的外侧设有多个聚晶金刚石PDC复合片。
5.如权利要求1所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述上接头设有供与钻柱连接的外螺纹；所述下接头设有供与另一钻头连接的内螺纹，所述另一钻头的直径小于所述该提速钻头切削体的直径。
6.如权利要求1所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述主流道内固定设有一分流阀，所述分流阀为一柱状体，其轴向设有一贯通的分流道，在所述分流阀的顶面且环绕该分流道竖直向下设有多个分流盲孔，所述分流盲孔的数量与所述水孔的数量相同；各分流盲孔底部分别向分流阀柱状外侧贯通设有一换向水孔；所述各换向水孔的出口与相对的主流道水孔进口导通。
7.如权利要求6所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述分流道的直径小于所述副流道的直径。
8 如权利要求6所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述换向水孔向上倾斜设置，换向水孔的倾斜角度与所述水孔的倾斜角度相同。
9.如权利要求6所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述分流阀的底部抵靠在主流道与副流道之间的阶梯部，分流阀的顶部由一孔用弹簧挡圈固定。
10.如权利要求6所述的扩孔式减压提速钻头，其特征在于所述主流道为一圆孔，所述分流阀为一圆柱体，所述主流道的内壁与分流阀的外壁之间设有周向定位结构。
专利摘要本实用新型为一种扩孔式减压提速钻头，该钻头包括钻头本体，该钻头本体从上至下由上接头、切削体和下接头构成，切削体的直径大于上接头和下接头的直径；在切削体的外周面上沿其周向均匀设有多个螺旋形排屑槽，排屑槽之间形成螺旋形刀翼；在钻头本体的上接头轴向中心设有一主流道，该主流道延伸至切削体的下部，主流道底端同轴设有一连通的副流道，副流道的孔径小于主流道的孔径并贯通下接头；在主流道的孔壁上分别向各排屑槽贯通设置一向上倾斜的水孔。该扩孔式减压提速钻头采用扩孔方式提高钻速，可减小对钻头的损坏；可在井底产生一局部低压漩涡区，减小井底岩屑的压持力，实现对井底岩屑加速抽汲清除，减少岩屑的重复破碎，提高了钻速。
文档编号E21B10/46GK202073498SQ20112006731
公开日2011年12月14日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者朱海燕, 蔚宝华, 邓金根 申请人:中国石油大学(北京)